Diseño de transceptor óptico para TDM PON
El transceptor óptico (transmisor y receptor) utilizado para la conversión óptica a eléctrica es un componente clave en los sistemas de comunicación óptica. En un sistema PON, un transmisor y receptor ópticos en el terminal de línea óptica (OLT) o unidades de red óptica (ONU) se empaquetan típicamente para formar un subconjunto óptico bidireccional (BOSA).
La figura siguiente muestra la arquitectura del transceptor óptico para una OLT y ONU. El subconjunto óptico del transmisor (TOSA) consta de un láser semiconductor (láser Fabry-Perot o láser DFB) y un controlador láser. El subconjunto óptico del receptor (ROSA) incluye un fotodiodo (PIN o APD), un amplificador de transimpedancia, un amplificador limitador y un circuito de reloj y recuperación de datos. Además de TOSA y ROSA, se utiliza un dúplex o tripex (filtro WDM) para separar las longitudes de onda aguas arriba y aguas abajo. El dúplex o triplex suele ser un filtro de película delgada, pero los filtros ópticos (por ejemplo, la rejilla Bragg o un interferómetro Mach-Zehnder) basados en circuitos de ondas de luz planas se están convirtiendo en una opción preferida, ya que los circuitos de ondas de luz planar son más compactos, más confiable y más fácil de ensamblar con TOSA y ROSA. Como los PON de TDM se están implementando a gran escala, se ha realizado un esfuerzo significativo en el diseño de un transceptor óptico con un rendimiento mejorado, menor costo y mayor confiabilidad. Los desafíos clave en el desarrollo del transceptor óptico para aplicaciones FTTx son un mayor nivel de integración, un empaquetamiento rentable y tecnologías de transmisión óptica en modo ráfaga en el enlace ascendente. Para la integración y el empaquetado, los transceptores ópticos están evolucionando hacia circuitos de ondas de luz planar y circuitos integrados fotónicos monolíticos.
Transmisión óptica en modo ráfaga
En un sistema TDM PON, todos los usuarios comparten la misma infraestructura de fibra desde una OLT hasta el nodo de distribución. En la dirección descendente, los paquetes de datos se transmiten a todas las ONU. Los transmisores OLT y los receptores ONU funcionan en modo continuo, donde se mantiene la sincronización en todo momento. Incluso si no hay datos para enviar a las ONU, el transmisor OLT tiene que transmitir patrones de bits inactivos para que el receptor de las ONU pueda recuperar el reloj continuamente de la señal aguas abajo. Sin embargo, en la dirección ascendente, todos los usuarios deben evitarse en la transmisión ascendente, por lo que en un momento dado, solo un paquete (de una ONU) puede llegar a la oficina central. La OLT coordina la transmisión ascendente y programa el tiempo de transmisión para cada ONU. Cuando una ONU desea enviar datos a la OLT, transmite una ráfaga de datos en el tiempo asignado por la OLT y luego apaga su transmisor por completo para evitar interferir con la transmisión ascendente de otras ONU. Las ráfagas de datos de diferentes ONU que se suceden al receptor en la oficina central están separadas por un cierto tiempo de guardia. Este tipo de transmisión se llama transmisión en modo ráfaga.
Aquí hay una figura que compara los formatos de datos de transmisión continua y en modo ráfaga. El transmisor en modo ráfaga en cada ONU y un receptor en modo ráfaga en la oficina central son indispensables. Se requiere un receptor en modo ráfaga en la oficina central para tener varios rangos de entrada asequibles y tiempos de bloqueo de reloj rápidos. Por otro lado, un transmisor en modo ráfaga, ubicado en el lado del usuario, debe mostrar un tiempo de encendido rápido, así como una buena supresión de energía durante un estado inactivo. Diseñar un transceptor óptico de alta velocidad en modo ráfaga es necesario y desafiante cuando se implementan redes ópticas pasivas.
Controladores láser de modo de ráfaga
Un transmisor en modo ráfaga tiene que mostrar un tiempo de encendido rápido, así como una buena supresión de potencia. Los desafíos de diseño para los controladores de láser / modulador en modo ráfaga son los tiempos de subida y bajada y el control automático de potencia. Los circuitos de control convencionales están diseñados para mantener una corriente y voltaje de polarización constante. Sin embargo, una buena supresión de potencia óptica en el estado inactivo requiere que la polarización se desactive rápidamente. Los circuitos del controlador deben estar diseñados para tener un rendimiento corto de encendido / apagado. Para el control automático de potencia, los circuitos convencionales a menudo usan fotodiodo de monitor lento y / o filtros analógicos para promediar la señal y un bucle de control analógico a bucles de control analógico. Es necesario monitorear la salida óptica muestreada en puntos apropiados en forma de onda de ráfaga.
Receptores en modo ráfaga
Los receptores ópticos convencionales no se pueden usar para la detección en modo ráfaga porque no pueden manejar instantáneamente varios paquetes que llegan con grandes diferencias en la potencia óptica y la alineación de fase. Por lo tanto, es necesario diseñar receptores que puedan adaptarse a la variación en la potencia óptica y la alineación de fase paquete por paquete. Los desafíos de diseño para los receptores en modo ráfaga son la recuperación de sensibilidad dinámica, la recuperación de nivel y la recuperación rápida de reloj.
Cuando una ráfaga débil sigue a una ráfaga fuerte, es difícil detectar la señal débil. La recuperación de sensibilidad dinámica es necesaria para la detección de la señal débil. La recuperación del estallido débil está limitada por los efectos de transporte del portador de fotodiodos, las velocidades de carga y rotación del amplificador, y los efectos de control automático de ganancia no intencionales.
Para la recuperación de nivel, un receptor en modo ráfaga se puede diseñar con una estructura de retroalimentación o de avance. Para el diseño de retroalimentación, un amplificador de transimpedancia de entrada / salida diferencial y un circuito de detección de pico forman un bucle de retroalimentación, mientras que en el diseño de alimentación directa, la señal del preamplificador se alimenta a un circuito de detección de cresta. Ambos diseños se han implementado en la práctica. Una estructura de retroalimentación permite que el receptor funcione de manera más confiable, pero se necesita un preamplificador de entrada / salida diferente. Un receptor de alimentación directa tiene un tiempo de respuesta más rápido y se puede usar un preamplificador acoplado convencional, pero los circuitos deben diseñarse cuidadosamente para evitar la oscilación en el receptor. Los circuitos de recuperación de nivel con un diseño simple y robusto y un buen rendimiento siguen siendo un problema abierto que requiere mayor investigación.
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